《發(fā)光二極管》

1、 發(fā)光二極管2.1 引言1、定義：發(fā)光二極管（LED）是一種固態(tài)發(fā)光，是利用半導(dǎo)體或類(lèi)似結(jié)構(gòu)把電能轉(zhuǎn)換成光能的元件，屬于低場(chǎng)下的注入式電致發(fā)光。2、特點(diǎn)：B高，室溫下，全色LED大屏幕，500010000cd/m2工作電壓低，15V，可與Si邏輯電路匹配響應(yīng)速度快，107 1 09s彩色豐富，已研制出紅綠藍(lán)和黃橙的LED尺寸小，壽命長(zhǎng)（十萬(wàn)小時(shí)）視角寬，96年，達(dá)80度；97年，達(dá)140度3、缺點(diǎn)：電流較大，對(duì)七段式LED數(shù)碼管，10mA/段功耗大，裝配大型矩陣屏?xí)r散熱問(wèn)題突出4、簡(jiǎn)史1923年，由Losev在產(chǎn)生p-n結(jié)的SiC中發(fā)現(xiàn)注入式電致發(fā)光60年代末，LED得到迅速發(fā)展1964年，G

2、vimmeiss和Scholz以GaP間接帶材料隙得到橙、黃、綠的LED80年代，藍(lán)光的LED研制出來(lái)，用寬帶隙n型或半絕緣的GaN、ZnS或ZnSe上形成肖特基勢(shì)壘形成 Current LED TechnologyAxial Intensity100101400 450 500 550 600 650 700Wavelength in nmSiC0.1GaInNGaInNGaInNGaP : NGaP: NGaAsPGaAsPGaAsPAl In GaPAl In GaPAl In GaPGaA I As (DH)2.2 LED的發(fā)光機(jī)理PN結(jié)斷面示意圖What happens when p

3、-type & n-type semiconductors are connected? Holes and es migrate across p/n junction.holes104 V/cm electric field atjunction limits size of depletionregion2.2.1 LED的物理基礎(chǔ) 復(fù)合理論一. 載流子的激發(fā) 半導(dǎo)體中的發(fā)光是原子能態(tài)之間輻射躍遷的結(jié)果。輻射復(fù)合速率是由高能態(tài)的電子密度、空著的低能態(tài)密度以及這兩種能態(tài)之間的躍遷幾率三者乘積決定的。因?yàn)榘雽?dǎo)體中相鄰原子的間隔?。?），它們的軌道電子的波函數(shù)相互作用，因此形成允許的能帶而不足

4、形成分離的能級(jí)（如在孤立的原子中），發(fā)光產(chǎn)生與帶間的躍遷，因此不是單色的，而是擴(kuò)展遍及一般為幾百寬的波長(zhǎng)間距半導(dǎo)體中發(fā)光是產(chǎn)生濃度超過(guò)熱平衡值的電子和空穴的復(fù)合激發(fā)載流子的方式有四種：（1） 光致發(fā)光：是由能量大于半導(dǎo)體能帶間隙的入射光吸收產(chǎn)生少數(shù)載流子的過(guò)程。它在研究半導(dǎo)體材料時(shí)常用 （2）陰極的射線發(fā)光：剩余載流子的產(chǎn)生是由高能電子電離的電子空穴隊(duì)而來(lái)的。每一個(gè)入射的電子產(chǎn)生的電子空穴對(duì)數(shù)目是非常大的（對(duì)于一個(gè)10kev的電子，其典型數(shù)為103）（3）放射線發(fā)光：由各種高能粒子轟擊發(fā)光物體產(chǎn)生電子空穴對(duì)而引起發(fā)光（4）電致發(fā)光：它是由于外加電場(chǎng)而產(chǎn)生少數(shù)載流子的過(guò)程利用這種現(xiàn)象制成的器件有

5、LED、LD、EL等二、復(fù)合過(guò)程 電子空穴對(duì)一旦由上面提到的某種激發(fā)過(guò)程產(chǎn)生，電子將回到它的較低能量的平衡態(tài)并與空穴復(fù)合。這種復(fù)合能夠通過(guò)兩種途徑發(fā)生：輻射復(fù)合，非輻射復(fù)合1. 輻射復(fù)合輻射復(fù)合可直接由帶間電子和空穴復(fù)合產(chǎn)生，也可通過(guò)由晶體自身的缺陷摻入的雜質(zhì)和雜質(zhì)的聚合物所形成的中間能級(jí)來(lái)產(chǎn)生；這些缺陷或雜質(zhì)就叫做發(fā)光中心。按電子躍遷的方式可把輻射分成兩種帶間復(fù)合帶間復(fù)合是指導(dǎo)帶中的電子直接與價(jià)帶中空穴復(fù)合，產(chǎn)生的光子能量易接近等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度。半導(dǎo)體材料如GaAs,Inp等，由于價(jià)帶極大與導(dǎo)帶極小對(duì)應(yīng)于同一位置（零動(dòng)量位置）這種半導(dǎo)體材料的能帶稱(chēng)為直接帶隙半導(dǎo)體能帶，也即是說(shuō)，在直

6、接帶隙半導(dǎo)體的電子能量E（k)與波數(shù)K關(guān)系曲線中，導(dǎo)帶極小與價(jià)帶極大具有相同的K 值，電子與空穴在這種材料中的復(fù)合為二體過(guò)程，輻射效率不高。如果半導(dǎo)體材料的E（k)K曲線中，導(dǎo)帶極小與價(jià)帶極大對(duì)應(yīng)于不同的K值，稱(chēng)為間接帶隙半導(dǎo)體能帶。帶間復(fù)合必需涉及一個(gè)第三者的粒子以保持動(dòng)量守恒。聲子（晶格振動(dòng))就是這里的第三者。但是這種三粒子過(guò)程中電子空穴復(fù)合的幾率比直接帶隙材料中小23個(gè)數(shù)量級(jí)，Si、Ge、GaP等都屬于間接帶隙，這類(lèi)材料將兩種帶間復(fù)合的能帶示于下圖EgKE（k）hEg 直接帶隙半導(dǎo)體能帶 兩種帶間復(fù)合電子吸收光子的躍遷過(guò)程必須滿(mǎn)足能量和動(dòng)量守恒，電子在躍遷過(guò)程中波矢保持不變 (在波矢k空

7、間必須位于同一垂線上）直接躍遷直接躍遷和間接躍遷直接躍遷和間接躍遷常見(jiàn)半導(dǎo)體GaAs就屬于此類(lèi)：直接帶隙半導(dǎo)體直接躍遷中吸收系數(shù) 和光子能量的關(guān)系為gggEhEhAEhh21)(0)(（A為一基本常數(shù)）KE（k）hEg Ep間接帶隙半導(dǎo)體能帶hEgEp Eg間接躍遷：動(dòng)量不守恒，電子不僅吸收光子，同時(shí)還和晶格交換一定的振動(dòng)能量，即放出或吸收一個(gè)聲子從而達(dá)到動(dòng)量守恒. 光吸收系數(shù)（1-103 cm-1）比直接躍遷（104 - 106 cm-1 ) 小得多。Si：間接帶隙 半導(dǎo)體非間接復(fù)合施主和受主雜質(zhì)不僅決定于材料的導(dǎo)電類(lèi)型和電阻率，而且當(dāng)雜質(zhì)是發(fā)光中心時(shí)，它們還支配著輻射復(fù)合過(guò)程，雜質(zhì)取代晶體

8、內(nèi)部的基質(zhì)原子，其位置不規(guī)則，因而委形成周期性排列。雜質(zhì)能級(jí)在動(dòng)量空間擴(kuò)展開(kāi)，特別是出現(xiàn)在K0處，（說(shuō)明雜質(zhì)能級(jí)于半導(dǎo)體的價(jià)帶頂或?qū)У途哂邢嗤膭?dòng)量）。這說(shuō)明為何含有雜質(zhì)能級(jí)的躍遷能如此有效，復(fù)合的輻射部分可以發(fā)生在從導(dǎo)帶到受主或從施主到價(jià)帶，躍遷更經(jīng)常發(fā)生在施主和受主能態(tài)之間，因?yàn)樗鼈兎謩e單獨(dú)為電子和空穴提供低能態(tài)。在半導(dǎo)體 -族化合物如GaP中，選用特定的雜質(zhì)通常是從 族施主Te、Se、和S，以及從 族受主Zn、Cd和Mg當(dāng)中進(jìn)行挑選。這種半導(dǎo)體材料（ GaP ）在常溫下通過(guò)激子(是指電子處于激發(fā)狀態(tài)但不能自由行動(dòng)，被空穴所產(chǎn)生的庫(kù)侖場(chǎng)俘獲的原子或分子)來(lái)進(jìn)行非間帶復(fù)合躍遷。如果在 -族

9、化合物中選用與基質(zhì)晶體同樣電子結(jié)構(gòu)的元素?cái)v雜，使之置換基質(zhì)晶體元素的晶格點(diǎn)，由于它與基質(zhì)晶體元素的電子親和力不同，而對(duì)電子或空穴產(chǎn)生吸引作用，這樣的勢(shì)阱叫做等電子勢(shì)阱，這種材料是通過(guò)等電子勢(shì)阱來(lái)進(jìn)行帶間復(fù)合躍遷。如GaP中攙N，N置換P，因?yàn)镹和P為同一族，置換后呈電中性，由于N比P對(duì)電子的親和力大，會(huì)俘獲電子，其后又以庫(kù)侖場(chǎng)俘獲空穴，因此N也稱(chēng)為等電子受主。對(duì)于各種特定的攙雜劑和半導(dǎo)體的組合，最佳的雜質(zhì)濃度通常是以高效發(fā)光為目的的經(jīng)驗(yàn)來(lái)決定。一般情況下，雜質(zhì)濃度不能太小，因?yàn)椋鹤⑷肷贁?shù)載流子的復(fù)合幾率直接正比于將要與之復(fù)合的多數(shù)載流子的濃度（即發(fā)光中心濃度）較高的串聯(lián)電阻是由于低的載流子濃度

10、的緣故，在大電流下，能引起過(guò)多的發(fā)熱和大的電壓降。另一方面，雜質(zhì)濃度不能太大，由于“濃度悴滅”，在濃度接近雜質(zhì)溶解度極限時(shí)會(huì)引起諸如沉淀和金屬絡(luò)合物等冶金學(xué)缺陷，使半導(dǎo)體根本不會(huì)發(fā)光，因此濃度不能太大。對(duì)于所攙施主雜質(zhì)，濃度范圍為10171018個(gè)cm3，受主雜質(zhì)在10181019個(gè)cm32、非輻射復(fù)合電子與空穴的復(fù)合為非輻射性時(shí)，則不發(fā)光，在半導(dǎo)體材料中最主要的非輻射復(fù)合過(guò)程有兩種：通過(guò)缺陷或雜質(zhì)中心的復(fù)合內(nèi)部量子輻射復(fù)合就是在那里發(fā)生缺陷（以及Fe、Cu一類(lèi)的污染）引起的，深復(fù)合中心并跟著發(fā)生紅外發(fā)射或非輻射復(fù)合。這是由于雜質(zhì)在表面處有一能態(tài)的連續(xù)區(qū)（或準(zhǔn)連續(xù)區(qū)）可以把導(dǎo)帶和價(jià)帶連接起來(lái)，

11、在表面態(tài)處的復(fù)合由聲子發(fā)射耗散掉多余的能量通過(guò)俄歇效應(yīng)的非輻射復(fù)合俄歇電子發(fā)射是下圖所示的一個(gè)過(guò)程。VacM等L2,3L1KEF 初始態(tài)0EVacM等L*2,3L1KEF 終態(tài)M等L*2,3L1EFVacK 激發(fā)與發(fā)射EpEk2、2、2 p-n結(jié)注入式電致發(fā)光機(jī)理（結(jié)型電致發(fā)光）按照半導(dǎo)體材料不同形成的p-n結(jié)來(lái)進(jìn)行電致發(fā)光的情況，可分為兩類(lèi)： 同質(zhì)p-n結(jié)注入式電致發(fā)光異質(zhì)p-n結(jié)注入式電致發(fā)光一、同質(zhì)p-n結(jié)注入電致發(fā)光At the junction, free electrons from the N-type material fill holes from the P-type ma

12、terial. This creates an insulating layer in the middle of the diode called the depletion zone. 無(wú)外加電壓p-type & n-type semiconductor LED的發(fā)光原理PN結(jié)(PN-junction)二、異質(zhì)p-n結(jié)注入電致發(fā)光能帶如圖所示PNEc1Ev1EFEv2Ec2Eg1Eg2未加偏壓下的PN結(jié)能帶圖PEg1Eg2NEg2Eg1Ec2Ec1Ev1EFp加正向偏壓下的PN結(jié)能帶圖發(fā)光區(qū)注入源Potential 勢(shì)壘異質(zhì)結(jié)(Hetero-junction)2、3 Light Emitt

13、ing Diode (LED)2、3、1 結(jié)構(gòu)與材料一、結(jié)構(gòu)采用半導(dǎo)體工藝在襯低上制作p-n結(jié)，然后制作Al電極，接著在半導(dǎo)體襯低一面蒸鍍AuGe電極，制得芯片，封裝芯片，焊到管座上，由超聲波焊接或熱壓焊引出電極，最后涂覆透明的環(huán)氧樹(shù)脂。其形狀和折射率對(duì)LED發(fā)光有很大的影響Phosphor Coated LEDs二、材料LED對(duì)材料的要求：1. Eg較大，因?yàn)榫w發(fā)光的EmaxEg1.72ev,Eg大，則便于發(fā)能量較大的藍(lán)光或綠光2. 純度高，晶格完整性好，以減小非輻射復(fù)合3. 直接帶隙的半導(dǎo)體，其躍遷效率高4. 能容易與Al、Au等金屬形成良好的歐姆接觸5. 穩(wěn)定性好，價(jià)格便宜重要半導(dǎo)體的

14、帶隙重要半導(dǎo)體的帶隙對(duì)于LED材料的要求體現(xiàn)在LED特性上有二個(gè)重要的優(yōu)質(zhì)：一是外量子效率。另一個(gè)引入亮度B度效率：由視覺(jué)曲線查出的光：觀察到的發(fā)光面積：結(jié)面積；：結(jié)電流密度（）發(fā)射光波長(zhǎng)（L)/AJnm:)/(394122sjsjexAAmmcdALJAB2.3.2 LED的制造工藝結(jié)型發(fā)光器件工藝和一般半導(dǎo)體器件相似，但由于它是發(fā)光器件，因此必須充分注意其電學(xué)、光學(xué)特性的統(tǒng)一效果。半導(dǎo)體發(fā)光材料通常是用外延材料制作的，GaAsP基片是由氣相外延制造的，單晶晶片上切割下來(lái)的，而GaP和AlGaAs則采用的液相外延技術(shù)。相應(yīng)的器件制作都是采用n型摻雜的材料，用Zn擴(kuò)散方法，進(jìn)行局部受主擴(kuò)散形成

15、pn結(jié)，這里以GaAs0.6P0.4LED為例，對(duì)制作工藝加以說(shuō)明。單晶的制作單晶的制作采用水平布里奇曼法（Bridgman） 采用保護(hù)旋轉(zhuǎn)提拉法平面結(jié)型LED工藝NGaAs（100）摻 P、Te外延NGaAs（100）NGaAs 1x PxSi3N4掩模NGaAs（100）NGaAs 1x Px Si3N4掩模 光刻Si3N4掩模NGaAs（100）NGaAs 1x Px Zn擴(kuò)散NGaAs（100）NGaAs 1x Px LED的制作工藝的制作工藝蒸鋁電極NGaAs（100）NGaAs 1x Px Al光刻Al電極NGaAs（100）NGaAs 1x Px AlNGaAs（100）NGaA

16、s 1x Px Al蒸 金鍺 電 極劃片、測(cè)試選片、封裝外延技術(shù)：外延技術(shù)：LPE (liquid phase epitaxy)VPE (vapor phase epitaxy)MBE (molecular beam epitaxy)MOCVD (metal-organic chemical vapor deposition)Liquid-Phase Epitaxy (LPE)LPE is the simplest technique mechanically.It is an excellent technique for the production of the very thick l

17、ayers used in some high-brightness LED structures.Molecular Beam Epitaxy (MBE)MBE is the most powerful technique for the production of superlattice and quantum-well structures.MBE can be used for the growth of a wide range of materials, but a notable shortcoming is the difficulty experienced with th

18、e growth of the phosphides.Organometallic Vapor-Phase Epitaxy (OMVPE)OMVPE is the most versatile technique for the production of III-V materials and structures for eletronic and photonic device.It is also the most recent technique to be devoloped for the production of high-quality III-V semiconducto

19、rs.臺(tái)面結(jié)型LED工藝NGaAs（100）摻 P、Te外延NGaAs（100）NGaAs 1x PxZn擴(kuò)散NGaAs（100）NGaAs 1x PxP GaAs 1x Px蒸Al電極光刻N(yùn)GaAs（100）NGaAs 1x PxP GaAs 1x PxNGaAs（100）NGaAs 1x PxP GaAs 1x PxAl1. 減薄、拋光2.蒸AuGe電極 NGaAs（100）NGaAs 1x PxP GaAs 1x Px封裝AuGe2.3.3 LED的特性1、IV特性其正向IV特性與普通二極管大致相同以上一般在的反向擊穿電壓值得注意的是大時(shí)；小時(shí)為復(fù)合因子：玻爾茲曼常數(shù)開(kāi)啟點(diǎn)電流V51m2

20、mI/1038. 1K:)/exp(2300LEDImKJImKTevIIDiode V-I CharacteristicFor ideal diode, current flows only one wayReal diode is close to idealIdeal DiodeP-N Junction - V-I characteristicsVoltage-Current relationship for a p-n junction (diode) The Ideal Diode EquationIIqVkTwhereIdi odecurrentwi t h reversebi a

21、sqcoul om b t heel ect roni cchekeVKBol t zm ann sconst 00195116021086210exp,.,arg.,t an2、 BV特性和BI特性LED的發(fā)光亮度B與電壓V的關(guān)系，用下式表示：亮度）為起始亮度（開(kāi)啟點(diǎn)的00)/exp(BBKTevBLED的BI特性用下式表達(dá)：1m5 .13 .1mKIBm高時(shí)：低時(shí)：為比例系數(shù)IIK注意：發(fā)紅光的GaP與上式不同，B呈現(xiàn)飽和。材料中心通過(guò)Zn-O對(duì)進(jìn)行的，當(dāng)少數(shù)載流子密度達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)會(huì)使發(fā)光中心飽和，而發(fā)綠光的GaP中輻射復(fù)合時(shí)通過(guò)淺施主能級(jí)進(jìn)行，即使施主濃度很大也不會(huì)出現(xiàn)飽和3、發(fā)光效

22、率、發(fā)光效率內(nèi)量子效率參數(shù)是表示器件轉(zhuǎn)換效率的關(guān)，與人眼的視覺(jué)靈敏度有空穴對(duì)：激發(fā)時(shí)注入的電子數(shù)：輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子：總的正向電流結(jié)的電流流過(guò)intTTintGNpn:INIFeFeIGI外量子效率由于材料的折射率高，發(fā)射和吸收的損失大，輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子不會(huì)全部射出設(shè)射出的光子數(shù)目NT，注入的電子空穴對(duì)G，則：平均表面透射率：二極管的體積；：發(fā)射表面的面積器件的平均吸收系數(shù)；avpavpoutTVATVGA:/1 N1intT顯然，外量子效率小于內(nèi)量子效率一般，內(nèi)量子效率可達(dá)50；而外量子效率為0.112%eIPLEDLEDint,intrate ionrecombinat with RRR

23、radradnonradnontotalradrad功率效率對(duì)理想的p-n結(jié)LED,V外全部加在p-n結(jié)上.但在實(shí)際上,在電極和LED接觸處,LED半導(dǎo)體層本身都有電阻,稱(chēng)為串聯(lián)電阻Rs.一般直接帶隙 -族化合物半導(dǎo)體LED中,Rs=13歐姆;間接帶隙除 -族化合物半導(dǎo)體LED,Rs=10歐姆.Rs上的壓降不影響量子效率,但減小了功率效率.功率效率的可以表示為:時(shí)的功率效率為其中代入表達(dá)式可得結(jié)上的電流流過(guò)結(jié)上的壓降故的存在由于光學(xué)效率外加電壓式中0Rsp0)V1/(p0)V1/(xinteVp:jI ;:V,Rs:x;:VexeVxinteVpjjjsjsjRIRIhnpnpjVsRjIjV

24、hh提高功率效率,則Rs下降,摻雜濃度升高.單不能太高(因?yàn)橐绊慙ED的結(jié)晶完整性),一般取1018cm-3為宜.提高LED效率的途徑a.選擇適當(dāng)?shù)膿诫s濃度在p-n結(jié)加上正向偏壓以后，注入結(jié)區(qū)的載流子有一部分被晶格缺陷和有害雜質(zhì)俘獲，形成空間非輻射復(fù)合。這種復(fù)合盡量避免，因俘獲中心有限，可加大注入電流使其飽和，擴(kuò)散電流jd開(kāi)始起主要作用電流表示電子和空穴的擴(kuò)散分別與；dpdndpdndjjjjj在LED中，只有一種擴(kuò)散電流對(duì)發(fā)光貢獻(xiàn)大。在紅光GaP中，主要是jdn在p區(qū)的復(fù)合，要增加注入效率，就要提高jdn在全部擴(kuò)散電流中的比例，因?yàn)槭┲麟s質(zhì)濃度（ND）大于受主雜質(zhì)濃度（NA），要適當(dāng)提高N

25、A。但是NA和 ND不能太高，否則因缺陷過(guò)多造成過(guò)多的光子吸收，減少電子遷移率和增加空穴向N區(qū)注入，這些都會(huì)降低注入效率，所以NA， ND 都有一個(gè)最佳值，一般都在1018cm-3這個(gè)數(shù)量級(jí)上。b.選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)深輻射復(fù)合發(fā)出的光從p-n結(jié)到達(dá)晶體表面之前會(huì)受到較大的吸收，為了減小吸收，把結(jié)做得薄一些，但是太淺了又會(huì)使注入的載流子在體內(nèi)來(lái)不及充分復(fù)合就到達(dá)電極流走了。因此結(jié)深也有一個(gè)最佳值，其計(jì)算公式：umxumcmxjoptNNNNNjopt5 . 2;1L;/700GaPLLln1LL，紅光的；電子擴(kuò)散長(zhǎng)度。對(duì)發(fā)：吸收系數(shù)；）；式中（c.改進(jìn)LED的結(jié)構(gòu)由于 -族材料的折射率大（n34），即

26、使垂直入射到空氣界面的光也有50的發(fā)射，與界面的法線大于16度（全反射臨界角）的光完全發(fā)射回器件內(nèi)部。ccos1exc只有 c立體角內(nèi)的光才能出射出器件之外，將c16.2度代入，得外量子效率約0.03,即到達(dá)表面的光只有3%左右可以出射出來(lái)。但是由于晶體本身在光的傳輸過(guò)程中還有很強(qiáng)的吸收作用，因而實(shí)際的外量子效率比計(jì)算值低。用球面發(fā)射表面結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)減小了界面發(fā)射，但使材料內(nèi)部光程增大，在增加了吸收為了提高外量子效率，可采取下列措施：為了提高外量子效率，可采取下列措施：用折射率較大的介質(zhì)做成圓頂光窗，以增大半導(dǎo)體內(nèi)的全發(fā)射臨界角。LED-Optical Properties-Light Esc

27、ape ConeTotal internal reflection at the semiconductor air interface reduces the external quantum efficiency.The angle of total internal reflection defines the light escape cone. sinc = nair/nsArea of the escape cone = 2r2(1-cosc)Pescape / Psource = (1-cosc)/2 = c2/4 = (nair2/ns2)/4LED-Optical Prope

28、rties-Emission SpectrumLight intensity in air (Lambertian emission pattern) is given byIair = (Psource/4r2) X (nair2/ns2) cosIndex contrast between the light emitting material and the surrounding region leads to non-isotropic emission patternLED-Optical Properties-Epoxy encapsulantsLight extraction

29、efficiency can be increased by using dome shaped encapsulants with a large refractive index.Efficiency of a typical LED increases by a factor of 2-3 upon encapsulation with an epoxy of n = 1.5.The dome shape of the epoxy implies that light is incident at an angle of 90o at the epoxy-air interface. H

30、ence no total internal reflection.在p-n結(jié)背面設(shè)置合適的反射面，可以利用正面發(fā)出的光，也可以使后面的光得到有效的利用反射面反射面電極與p-n結(jié)的歐姆接觸處具有高的吸收系數(shù)，應(yīng)減小接觸面積，但會(huì)增加串聯(lián)電阻Rs和降低熱導(dǎo)，因而可采用折中的辦法，用絕緣層（SiO2）覆蓋在二極管表面，同時(shí)在其上開(kāi)一小窗口作歐姆接觸。采用此法的紅光GaAsP的LED，其吸收系數(shù)由700/cm下降到230/cm,相應(yīng)亮度提高了23倍。對(duì)于GaAs紅外LED，可采用摻硅將其輻射波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向偏移以減小吸收損耗選擇適當(dāng)?shù)膒-n結(jié)半導(dǎo)體材料，使發(fā)射光譜與視覺(jué)曲線有最大的重疊。即使矩形結(jié)構(gòu)

31、的LED，會(huì)可采取折射率大，吸收小的透明材料封裝LED，可增加出射光，入對(duì)于GaAsP的LED用環(huán)氧樹(shù)脂封裝（nr 1.55), c=25.5度，出射光增加了1.45倍，用低熔點(diǎn)玻璃封裝（nr 2.42.6)，則外發(fā)光效率可提高47倍。High extraction efficiency structuresShaping of the LED die is critical to improve their efficiency.LEDs of various shapes; hemispherical dome, inverted cone, truncated cones etc hav

32、e been demonstrated to have better extraction efficiency over conventional designs.However cost increases with complexity.High extraction efficiency structuresThe TIP LED employs advanced LED die shaping to minimize internal loss mechanisms.The shape is chosen to minimize trapping of light.TIP LED i

33、s a high power LED, and the luminous efficiency exceeds 100 lm/W.TIP devices are sawn using beveled dicing blade to obtain chip sidewall angles of 35o to vertical.High internal efficiency LED designsRadiative recombination probability needs to be increased and non-radiative recombination probability

34、 needs to be decreased.High carrier concentration in the active region, achieved through double heterostructure (DH) design, improves radiative recombination. R=BnpDH design is used in all high efficiency designs today.Doping of the active regions and that of the cladding regions strongly affects in

35、ternal efficiency.Active region should not be heavily doped, as it causes carrier spill-over in to the confinement regions decreasing the radiative efficiencyDoping levels of 1016-low 1017 are used, or none at all.P-type doping of the active region is normally done due to the larger electron diffusi

36、on length. Carrier lifetime depends on the concentration of majority carriers. In low excitation regime , the radiative carrier lifetime decreases with increasing free carrier concentration. Hence efficiency increases with doping.At high concentration, dopants induce defects acting as recombination

37、centers.High internal efficiency LED designsP-N junction displacementDisplacement of the P-N junction causes significant change in the internal quantum efficiency in DH LED structures.Dopants can redistribute due to diffusion, segregation or drift. Doping of the confinement regionsResistivity of the

38、 confinement regions should be low so that heating is minimal.High p-type conc. in the cladding region keeps electrons in the active region and prevents them from diffusing in to the confinement region.Electron leakage out of the active region is more severe than hole leakage. Non radiative recombin

39、ationThe concentration of defects which cause deep levels in the active region should be minimum.Also surface recombination should be minimized, by keeping all surfaces several diffusion lengths away from the active region.Mesa etched LEDs and lasers where the mesa etch exposes the active region to

40、air, have low internal efficiency due to recombination at the surface. Surface recombination also reduces lifetime of LEDs.Lattice matchingCarriers recombine non-radiatively at misfit dislocations.Density of misfit dislocation lines per unit length is proportional to lattice mismatch.Hence the effic

41、iency of LEDs is expected to drop as the mismatch increases. 4、溫度特性溫度上升，亮度下降；溫度增加1度，發(fā)光效率減小1，當(dāng)LED消耗功率大，則結(jié)溫上升，輸出亮度下降，所以減小功耗，改良散熱條件很重要。Causes include non-radiative recombination via deep levels, surface recombination, and carrier loss over heterostucture barriers.5、發(fā)射光譜LED的發(fā)射光譜由半導(dǎo)體禁帶寬度以及雜質(zhì)濃度決定。描述光譜分布的兩

42、個(gè)主要參量是峰值波長(zhǎng)max與半高寬 。對(duì)GaAs1-xPx和Ga1-xAlxAs由于x不同，max620680nm， 2030nm；對(duì)GaP（紅）: max700nm， 10nm；對(duì)GaP（綠）: max570nm， 25nm。器件工作時(shí)的溫度 會(huì)影響發(fā)射光譜，隨著溫度升高， 變大， max也會(huì)發(fā)生漂移0.3o.4nm/度， 在光通信中是一個(gè)很重要的參量。6、響應(yīng)時(shí)間在快速顯示，快速調(diào)制時(shí)，器件對(duì)信息的反應(yīng)速度，即對(duì)啟亮和熄滅時(shí)間有一定的要求，LED響應(yīng)時(shí)間由以下因素決定：LED的上升（啟亮）與I有關(guān)。隨著I上升，啟亮?xí)r間近似指數(shù)增長(zhǎng)，這與發(fā)光中心和其它陷阱俘獲載流子的情況有關(guān)，而LED的衰減

43、與I無(wú)關(guān)。因?yàn)長(zhǎng)ED是少子注入的正向偏置的p-n結(jié)的自發(fā)輻射。響應(yīng)時(shí)間與少子的壽命、結(jié)電容、寄生電容有關(guān)，但是主要由壽命決定LED的響應(yīng)時(shí)間很短，主要是由于載流子的直接躍遷復(fù)合時(shí)間較短。 對(duì)GaP為100ns，GaAsP只有幾個(gè)ns。7、壽命LED的壽命一般很長(zhǎng)，j1A/cm2,壽命為106h，與j有關(guān)，近似表示為2600/mA10:tj)/exp()(cmBtjBtB一般為老化時(shí)間常數(shù)，：工作時(shí)間；：工作電流密度；：起始亮度；影響LED壽命的因素有：表面漏電流的增加象銅之類(lèi)的沾污物的內(nèi)擴(kuò)散在p-n結(jié)附近形成非輻射復(fù)合中心。對(duì)于前面兩個(gè)因素，可采用合適的鈍化、封裝以及清洗技術(shù)予以消除，對(duì)于后一

44、個(gè)原因可以在制作LED時(shí)盡量保證晶格的完整性，降低其缺陷密度，來(lái)達(dá)到緩解非輻射復(fù)合中心產(chǎn)生的速度，但不能完全消除。2.3.4 LED顯示器件常用材料性能1、GaAs：Eg1.43ev,直接帶隙，max在紅外線范圍，不能直接用于顯示GaAs：Si max940nm；GaAs：Zn max900nm近年來(lái)研制成功的將稀土熒光粉LaF3：Y：Er涂于芯片上，可將紅外轉(zhuǎn)移到綠光這是利用多次連續(xù)機(jī)理原理實(shí)現(xiàn)的。選擇適當(dāng)?shù)臒晒夥劭梢缘玫綒怏w顏色的光。其缺點(diǎn)是：發(fā)光不均勻，響應(yīng)速度慢2、GaPEg2.25ev,間接帶隙，這類(lèi)器件有：max(nm) 外量子效率（）顏色GaP: ZnO690315紅光GaP：N

45、、O5900.05黃光GaP：N5500.050.7綠光優(yōu)點(diǎn)：透光性能好，顏色豐富，摻入不同的雜質(zhì)，可發(fā)紅、黃、綠光；缺點(diǎn)：外量子效率低現(xiàn)已采用合成熔融擴(kuò)散技術(shù)和液相外延技術(shù)制成高效的綠色GaP的LED.3、GaAs1-xPx由GaAs和GaP混晶制成，x：混晶比Eg隨x變化 x0.45 器件為間接躍遷型摻N的GaAs1-xPx會(huì)使發(fā)光效率提高AlGaAsAlGaAs was the first material for which very high brightness LEDs were demonstrated.The AlGaAs system is nearly lattice-m

46、atched to the GaAs substrates for all compositions.When the Al content increases, the bandgap becomes large and indirect.With increasing Al composition, the wavelength will also decrease.AlGaInPThe AlGaInP system was identified early as one of the most promising for high-performance LEDs.AlGaInP hav

47、e high external quantum efficiency, like 20% at 630 nm, 10% at 590 nm, and 2% at 570 nm.AlGaInNAlGaInN are very differently from the conventional III-V semiconductors.Due to they have large bond strengths, so they require high growth tempertures.They can be grown on SiC and sapphire, but the lattice

48、 match between GaN and SiC is much better than for sapphire.Tungsten(60W)Edisons First Light BulbHalogen (30W)Fluorescent (40W)Low-Pressure Sodium (18W)GREENGaAs P0.6 0.4GaP:Zn,OGaP:Zn,OGaP:N GREEN AlGaAs/GaAsAlGaAs/AlGaAsAlGaInP/GaAsAlGaInP/GaPRED - ORANGE - YELLOW BLUESiCBLUEPERFORMANCE (LUMENS/WA

49、TT)100 0.110 1GaAsPGaAsP:NRED - ORANGE - YELLOW RED - ORANGE - YELLOW InGaNRED RED RED RED 1960 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 RED Courtesy of:Courtesy of:InGaNInGaNYELLOWShaped AlGaInP/GaPRED - ORANGE - YELLOW 2.4 LED的應(yīng)用LED具有工作電壓低（13V），電流?。◣讕资甿A），響應(yīng)速度快（10-6 10-9s),壽命長(zhǎng)（ 105h），B高，可與半導(dǎo)體集成電路匹配

50、，工藝簡(jiǎn)單，能實(shí)現(xiàn)多路驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)，因此可以在以下方面得到很好的應(yīng)用：一、指示燈普通的鎢絲燈耐振動(dòng)性差、易破碎等問(wèn)題，LED指示燈不斷更新?lián)Q代，其壽命在數(shù)十萬(wàn)小時(shí)以上，而且功耗小，發(fā)光響應(yīng)速度快，亮度高，小型耐振動(dòng)等特點(diǎn)，在各種應(yīng)用中占有明顯的優(yōu)勢(shì)。常見(jiàn)的應(yīng)用：電話(huà)、音響制品、家電制品、各種計(jì)測(cè)儀表以及集中控制盤(pán)等許多領(lǐng)域中，有著廣泛的應(yīng)用。LED顯示屏的應(yīng)用領(lǐng)域：證券交易、金融信息顯示；機(jī)場(chǎng)航班等的動(dòng)態(tài)顯示等。White-light LEDsWhite light can be generated in several different ways.One way is to mix to c

51、omplementary colors at a certain power ratio.Another way is by the emission of three colors at certain wavelengths and power ratio.Most white light emitters use an LED emitting at short wavelength and a wavelength converter.The converter material absorbs some or all the light emitted by the LED and

52、re-emits at a longer wavelength.Two parameters that are important in the generation of white light are luminous efficiency and color rendering index.It is shown that white light sources employing two monochromatic complementary colors result in highest possible luminous efficiency.White-light LEDsWa

53、velength converter materials include phosphors, semiconductors and dyes.The parameters of interest are absorption wavelength, emission wavelength and quantum efficiency.The overall energy efficiency is given by = ext(1/ 2)Even if the external quantum efficiency is 1, there is always an energy loss a

54、ssociated with conversion.Common wavelength converters are phosphors, which consist of an inorganic host material doped with an optically active element.A common host is Y3Al5O12.The optically active dopant is a rare earth element, oxide or another compound.Common rare earth elements used are Ce, Nd, Er and Th.White LEDs based on phosphor convertersA blue GaInN/GaN LEDand a phosphor wavelengthconverter suspended in a epoxy resin make